不同技术流派的国产非制冷红外探测芯片取得了哪些突破？

红外探测器从机芯到整机国产化是一个漫长的过程，依靠反向工程从仿制起步，经过近二十年的发展摆脱了红外核心器件受制于人的局面，这是非制冷红外芯片漫长的国产替代之路。非制冷红外因为其噪声等效温差（NETD）指标较低，在民用领域有很广泛的应用。与其相对应的制冷型红外芯片则多用在军用等高端领域，高规格的制冷型红外机芯基本上都在各国禁止出口的产品名单中。

在非制冷红外机芯里，热敏元件无疑是核心部件中的核心，它作为桥梁连接起了感知红外辐射与输出信号。非制冷型红外芯片的热敏元件材料一般选择氧化钒（VOx）和非晶硅（α-Si）。两种材料在技术上都已经足够成熟，在红外机芯应用上都有着很悠久的历史。氧化钒的应用会稍稍早一些，是由军用转入民用，因为其具有较高的TCR，在红外机芯中很受欢迎。多晶硅的TCR并不弱于氧化钒，但受限于自身无定形结构，往往NETD不如氧化钒。

多晶硅技术应用铺开红外探测民用市场

多晶硅由于其本身的无定形结构，在非制冷红外芯片中相同的TCR下会呈现出比氧化钒更高的噪声（大约高出两个数量级），这意味着成像质量不可避免得会变差。既然材料决定了两种技术路线的红外芯片在同一条件下会有不可忽视的效果差距，那为什么基于氧化钒的非制冷红外芯片没有一统整个市场，反而让基于多晶硅的红外芯片占据了不小的份额呢？

在民品领域，并不是所有需求都对器件技术指标要求得那么严苛，非晶硅以较低的成本拥有稳定的市场份额，同时大幅推进了红外探测器在民品领域的广泛应用。以市面上普遍的技术指标作为对比，氧化钒探测器的灵敏度是比较容易做到＜40mk，非晶硅探测器的灵敏度虽然大致在50mK左右但不是不可以突破。国内市场就有不少采用非晶硅的非制冷红外芯片将灵敏度做到了＜40mk。

（图源：大立科技）
来源于材料的噪声制约了非晶硅的成像能力，但这个制约在像元间距不是那么小的时候并没有想象中那么严重。在25μm像元间距的非制冷红外系列中，国内领先的芯片不论是基于氧化钒还是非晶硅都可以做到NETD＜40mk。在工艺上因为都采用了CMOS-MEMS，国内领先的不同热敏材料的红外芯片在大像元间距类别上并没有明显差异，不论是在热响应速度、灵敏度还是分辨率指标上。基于非晶硅的技术领先厂商为了弥补材料上的先天不足，在像素层面还下了不少苦功，国内红外芯片从1280×1024到3072×2048的像素水准已经是领先国外的技术水平。
基于非晶硅的非制冷红外芯片依靠较低的成本和领先的像素水准在测温、监控、车载夜视领域都有着不小的市场份额，低成本的下探铺开了民用红外探测应用。

氧化钒红外芯片高质量成像优势向更小像元突破

在相同的TCR下，氧化钒的噪声系数比非晶硅有明显的优势，这意味着成像质量很高。在像元间距越来越小的应用中，这一优势会被明显放大。从17μm像元间距开始，基于非晶硅的红外芯片成像质量就开始落入下风。到12μm像元间距，基本就是氧化钒的天下。非晶硅从17μm像元间距开始也只能维持＜50mk的NETD，而氧化钒可以很轻松地达到小于40mk的灵敏度，往20~30mk靠拢。
（图源：高德红外）
虽然基于氧化钒的红外芯片成本会略高，但国内厂商自有摊薄成本的办法，例如国内制冷与非制冷红外芯片巨头高德红外通过晶圆级封装，直接在整个晶圆片上完成高真空封装测试程序之后，再进行划片切割制成单个红外探测器，解决微型化和成本问题；艾睿光电自研的ASIC全系列红外热成像模组通过大批量产也降低成本打开了市场空间。
氧化钒的高质量成像优势不满足于17μm到12μm的像元间距，国内领先的红外芯片厂商开始向更小的像元间距突破。非制冷红外领域的10μm像元间距应用中已经没有非晶硅技术的身影了，在10μm像元间距应用里即便是采用氧化钒也很难缩小NETD，维持在40~50mk NETD的高灵敏度已经不容易。
（图源：艾睿光电）
去年艾睿光电全球首款突破性的8μm红外芯片进一步推动了超小像元红外焦平面探测器芯片的广泛应用。该8μm的芯片并没有披露太多详细参数，从官方给出的指标来看其NETD≤40mk无疑体现了领先的技术实力。

小结

在非制冷红外焦平面探测器芯片上，国产完全替代已经不在话下，国内技术水平稳居国际第一梯队。更小像元间距的技术突破也展示了国产非制冷红外探测芯片不俗的实力。不同技术流派的红外探测器芯片量产后成本的下探无疑将打开更多领域的应用空间。